记者30日从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士团队受天然珍珠母结构的启发，研制出一种新型航天器外层防护材料——聚酰亚胺-纳米云母复合膜。

　　

　　据介绍，这种新材料由于采用了独特的仿生设计，其力学性能和空间极端环境耐受性均得到显着提升，有望取代现有的聚酰亚胺基复合膜材料。
 

　　

　　
       该成果日前发表于国际期刊《先进材料》(Advanced Materials)上。

　　

　　聚酰亚胺薄膜因其优异的力学性能、绝佳的热稳定性和突出的耐化学性，成为太空探测器“防护服”的绝佳材料。然而，与其他碳氢聚合物一样，该材料在太空环境中也极易受到原子氧攻击，导致物理和力学性能急剧下降，目前还没有很好的解决手段。此外，宇宙射线辐射和空间碎片撞击等极端环境也对其稳定性提出严峻的考验。

　　

　　俞书宏院士团队受天然珍珠母的“砖-泥”层状结构启发，利用前期开发的具有优异力学性能和紫外屏蔽功能且可大规模制备的纳米云母片作为构筑基元，与聚酰亚胺前驱体共组装得到聚酰亚胺-纳米云母复合膜，利用云母的优越本征特性来弥补聚酰亚胺的不足。这种设计策略不仅实现了材料力学性能的有效提升，而且使其上表面对原子氧、紫外辐射和空间碎片等具有更高的抵抗性能。

　　

　　研究表明，这种新型仿生复合膜的拉伸强度、杨氏模量和表面硬度比纯聚酰亚胺膜分别高出45%、100%和68%。与此同时，其抗紫外线老化性和高温稳定性也得到明显提升。

　　

　　业内人士认为，这项研究提出的独特双层仿珍珠母结构设计策略，为设计构筑其他高性能纳米复合材料提供了新思路。
 

　　

宇宙空间是一个极高真空环境，航天器与外部环境的热交换只有热辐射一种方式，没有热传导，也没有热对流。当太阳直接照到航天器表面，如果没有加防护层，温度会很快升到100摄氏度以上，而在太阳照射不到的区域，温度又会降到零下100摄氏度以下。因此，我们必须给航天器穿戴上一套全方位的“保护盔甲”。

　　

　　嫦娥卫星的有哪些防护“措施”？

　　

　　人造卫星表面涂覆着一种具有特殊功能的涂层材料，叫做热控涂层。它专门用来调控固体表面的热辐射性质，从而达到热控制的目的。

　　

　　热控涂层之于航天器，就如同衣服之于人类。而且，它还是“量身定制”的，因为在航天器不同的部位，我们要选择不同吸收辐射比的热控涂层。

　　

　　嫦娥探测器和玉兔巡视器所使用的热控涂层多达20余种，研制工艺和吸收辐射比各不相同，这些材料的应用确保了航天器各仪器设备在昼夜温差高达300摄氏度的环境中依然正常运转。
 

 

　　2、给发动机穿“裙子”

　　

　　除了热控涂层，另外一种热控材料是多层隔热材料。

　　

　　当探测器飞到月球附近的时候，要实现绕月飞行，就必须对它进行“刹车”，从而被月球吸引力捕获。同时在下降的过程中，月面着陆是在真空状态下进行的，不能利用空气摩擦实现减速，而需要用反推力来实现减速降落。7500牛的变推力发动机就是这个关键的刹车装置。当该发动机工作的时候，最高温度可以达到1400多摄氏度，而它周围的仪器设备的工作温度却需要维持在几十摄氏度。因此，我们必须将这两者在温度上隔离开。

　　

　　解决方案就是在发动机的外围给它穿一条“裙子”，也就是高温多层隔热材料。这条“裙子”的厚度只有1厘米，由20多层特殊材料组成，穿上它，就在发动机和周围的电子元器件之间形成了一道热屏障。哪怕“裙内”燃烧室和喷管的温度超过1000摄氏度，“裙外”的温度也不会超过100摄氏度，从而确保了探测器的正常工作。

　　

　　3、确保发动机100%的可靠性

　　宇宙空间是真空环境，为什么航天器需要用抗氧化涂层呢？这些抗氧化涂层都是用于嫦娥卫星上推力不同、方向各异的姿态控制发动机上的。别看它们个头不大，作用可是不小。月球距离地球达38万公里，在“嫦娥奔月”的过程中，需要经过多次变轨才能实现着陆。而每次变轨和最终着陆，都需要通过这些姿态控制发动机点火产生反推力来调整和控制卫星的姿态，它们就像是航天器的方向盘。为了能使嫦娥卫星准确着陆，必须确保发动机具有100%的工作可靠性。
 

　　

给发动机部件表面涂覆上微米级硅化物体系的高温抗氧化涂层，在发动机点火时的高温有氧环境下，硅化物氧化会生成一层连续的、致密的玻璃态氧化硅，有效地减缓氧化；另一方面，生成的氧化硅在高温下可以流动，自动弥补涂层氧化过程中产生的裂纹、孔洞等缺陷，就像是人体血小板的“止血自愈”能力。

　　

　　4、有效防止冷焊现象

　　

　　航天器上一般都有一对大大的像翅膀一样的部件，那是它的供电系统——太阳能电池阵列帆板。在这个帆板的接触支点上还有一种特殊的功能涂层，叫做高摩擦抗冷焊涂层。

　　

　　“高摩擦”顾名思义就是指这个涂层具有很高的静摩擦系数。“冷焊”是指在高真空条件下，金属固体表面失去所吸附的气体，相互接触时会发生不同程度的黏结现象。因此，我们要在接触支点上涂覆一种具有高摩擦系数且不易发生冷焊的陶瓷涂层，有效防止冷焊现象的发生。

　　

　　这种高摩擦性能确保了太阳能帆板在经过发射、奔月、着陆以及两器分离等加速、减速环节后连接仍然稳定可靠。抗冷焊性则对太阳能帆板的可靠接触和频繁启闭发挥了重要作用。

　　

　　5、变色龙般的未来涂层

　　

　　随着火星探测、太空探索的深入，为了适应漫长的太空旅行，完成更复杂的航天任务，未来热控涂层材料将会向着长寿命、轻量化、多功能化以及智能化方向发展。

　　

　　为了在较长的时间内保持性能稳定，热控涂层的使用寿命将达到10年、20年甚至更长。

　　

　　轻量化则是为了增加航天器的有效载荷，在总重量不变的情况下，航天器要进行瘦身减重，这样才能带更多的东西上天。目前我们已经在世界上最轻的合金——镁锂合金上成功研制出了一种新的热控涂层，并且得到了成功的应用。

　　

　　多功能化是指为了应对不同的工作环境，航天器的热控涂层同时还具有防静电、自清洁等其他功能。

　　

　　前面所说的各种涂层的吸收辐射比是固定的，所以在航天器的不同部位必须选用不同的材料；而智能热控涂层可以随着航天器表面的温度不同而变化，实时自动对周围的环境进行响应，就像变色龙一样。

　　

　　航天服是用什么制成的？

　　

　　7月4日，神舟十二号航天员刘伯明、汤洪波从空间站天和核心舱节点舱成功出舱，身上穿着的我国自主研制的“飞天”舱外航天服在太空中格外醒目。

　　

　　120公斤重的舱外航天服，是航天员执行出舱活动的铠甲。它像一个人形飞船，充上一定的压力后，可保护航天员的生命安全，抵御外太空的高低温、强辐射等。

　　

　　那么，这件比黄金还贵重的“飞天战袍”，是由什么做成的？又是怎么做出来的？

　　

　　舱外航天服是航天员生命安全的保障。生命安全无小事，体现在工艺上就是复杂且精密。

　　

　　舱外航天服的软结构，包括上下肢和手套，从里到外是舒适层、备气密层、主气密层、限制层和热防护层等，既能抵抗太空风险，又能穿着舒适、行动灵活，重而不笨。

　　

　　据了解，仅做一副舱外航天服下肢限制层需要260多个小时，而装配一套舱外服需要近4个月……这已经是他们的最快速度了。

　　

　　舱外服上的头盔面窗，是航天员进行出舱活动时观察外界的窗口。

　　

　　头盔面窗有多层，最里层为双层压力面窗，是整个头盔的承压密封结构，呈曲面型，直接关系到航天员的生命安全，必须做到绝对安全可靠。

　　

　　“且不说它的承压材料要经过多少轮的选择、测试，光密封加缝合就耗时两个月，一共完成47道工序。”中心研发与总装测试部副部长邓小伟说，就拿面窗除尘来说，先吹洗，再不间断擦拭两小时左右，直到肉眼看不到一丝灰尘。

　　

　　航天员在舱外活动时会产生热量，需要穿上给身体降温的液冷服。

　　

　　液冷服是由弹性材料制成的，全身上下全是细密的小孔，供42根液冷管路线均匀穿过，每两孔间穿1厘米的线，全身上下铺设100米左右，就得穿20000个孔，尤其是头部的蛇形分布线路，得穿出个太极图。

　　

　　舱外航天服的发展

　　

　　随着航天技术的发展以及空间站的出现，出舱活动对于完成大型航天器的建造、维护维修， 航天器的在轨捕获和维修，以及载人航天的应急故障 处置，都发挥了极为重要的作用。
 

　　

但是出舱活动面临许多的风险，首先是恶劣的太空环境不适宜人类生存，其次是可能与太空废弃物的碰撞。距离地表三百公里处的轨道速率为每秒7.7公里。这是一颗子弹的十倍飞行速度，所以质量只有子弹百分之一大小的微粒（比如漆料的碎片或一粒细砂）拥有的动能即等于一颗子弹，一旦击中人，将会有生命危险。

　　

　　20世纪60年代初，为验证人类在空间生存和工 作的可能性，美国、前苏联开始了出舱活动的尝试。在前苏联“上升”号 和美国“双子星座”任务中釆用的舱外航天服，基本上是舱内航天服加上真空屏蔽隔热服罩衣构成的简易系统，通过脐带/简易供氧装置进行开式供氧，不具备独立工作能力,关节系统工效性能差，采用通风冷却,热舒适性差。

　　

　　“阿波罗”登月计划研制了真正的出舱活动系统一A7L舱外航天服，采用了全软性结构 （舱内舱外通用），具有独立生保系统和通信功能,能 够独立工作6~7h,并首次采用了液冷系统。该航天服 需要根据航天员体型定制,穿脱口采用密封拉链，穿脱时间长达45分钟。

　　

　　目前，根据空间站发展的需要，现代的舱外航天服均是根据出舱任务要求专门设计的系统，不再采用出舱活动和座舱压力应急通用航天服设计模式。目前， 国际空间站和美国航天飞机使用的分别是俄罗斯 “海鹰”航天服和 EMU航天服。都采用了半硬式结构，即头和躯干部分为硬式结构、四肢为软式结构，能够独立工作6~8小时。

　　

　　航天服研制为什么很难，首先舱外服是一项复杂的人机系统工程，它需要具备压力防护功能，具有足够强度的承压结构，能够为人体建立起赖以生存的压力环境。

　　

　　舱外服采取了一系列有效的热防护措施，最大限度地降低与环境间的辐射热交换，减少外部热流交变对舱外服内环境的影响。舱外服还具备一定的抵抗微流尘/碎片和空间辐射的防护能力。

　　

　　除此之外，它还需要具备氧调压、通风净化、温湿度控制等功能的生命保障系统能。因为航天员在舱外活动是会不断消耗氧气的，所以需要做到自主补充人体代谢耗氧与舱外服的泄漏，维持舱外服的工作压力。

　　

　　以温湿度控制系统为例子，航天员在进行舱外活动 时，会不断地消耗氧气、生产二氧化碳和水。二氧化碳、湿度控制的目的就是将航天员代谢产生的二氧化碳和水蒸汽从通风回路中带走，使二氧化碳和水蒸汽的分压维持在规定的范围内，同时兼具辅助散热功能，从而保证航天员的正常生理活动。

　　

　　最后，舱外航天服还需要具备一定的通信保障能力，像舱外服状态参数、 服内环境参数、航天员生理参数的监测与遥测传输，还有与飞船相关分系统实现无线全双工通话等。

　　

　　总的来说，舱外航天服为航天员提供三方面的保障。一是辐射、真空、微流尘等环境的防护；二是生命保障，也就是要保持一个适合人生存的气体和温度湿度环境；三是良好的功效保障，保证航天员穿着舱外航天服能开展维修器材等太空作业。可以说，舱外航天服就是把飞船的功能微缩在一套衣服上，这也是为什么许多科学家认为它比航母更能造的原因。

　　

　　文章来源：中国新闻网，上观新闻，郑州晚报，胖福的小木屋